微波谐振腔

第五章 常用微波元件,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,二,.,主要技术指标,第四章 微波谐振腔,1.,谐振频率,f,0,或谐振波长,0,：,指谐振腔中该模式的场量发生谐振时的频率，它是描述谐振器中电磁能量振荡规律的参量。,2.,谐振模式,3.,品质因数,4-2,微波谐振腔的品质因数,品质因数,Q,是微波谐振器的一个主要参量，它描述了谐振器选择性的优劣和能量损耗的大小，其定义为,一,.,品质因数定义,式中,W,0,为谐振器中的储能，,P,L,为谐振器中的损耗功率。,1.,固有,品质因数,Q,0,（空载）：,式中 为谐振腔内储存的磁能的时间平均值,为谐振腔内储存的电能的时间平均值,为谐振腔自身损耗功率,代表谐振腔本身质量的优劣，值大表明腔本身功耗小，自身质量优良。,第四章 微波谐振腔,2.,外部,品质因数,Q,e,：,式中,为与谐振腔相连接的外部负载消耗的功率,代表谐振腔向外部负载提供能量的效率高低。,3.,有载,品质因数,Q,L,：,衡量整个谐振系统质量优劣的综合参量。,第四章 微波谐振腔,二、谐振腔的电磁能量关系及功耗,微波谐振腔中电磁能量关系和集总参数,LC,谐振回路中能量关系有许多相似之处，如图。,第四章 微波谐振腔,但微波谐振器和,LC,谐振回路也有许多不同之处。,1.LC,谐振回路的电场能量集中在电容器中，磁场能量集中在电感器，而微波谐振器是分布参数回路，电场能量和磁场能量是,空间分布,的；,2,.,LC,谐振回路只有一个谐振频率，而微波谐振器一般有无限,多个谐振频率,另外，微波谐振器有不同的,谐振模式,(,即谐振波型,),；,3.,微波谐振器可以集中较多的能量，且损耗较小，因此它的,品质因数,远大于,LC,集中参数回路的品质因数。,第四章 微波谐振腔,第四章 微波谐振腔,腔内电场能量时间平均值,腔内磁场能量时间平均值,谐振时：,腔内总的电磁能量时间平均值：,1.,电能与磁能,第四章 微波谐振腔,2.,腔体功耗,3.,固有品质因数计算公式,4,3,同轴谐振腔,同轴谐振腔通常分为,/2,型、,/4,型及电容加载型三种。,(,一,),/2,型同轴谐振腔,结构,/2,型同轴谐振腔由两端短路的一段长度为,l,的,同轴线构成，长度,l,取半个波长的整数倍。,第四章 微波谐振腔,2.,谐振条件,由上式可导出谐振波长,0,与腔体长度,l,的关系为,第四章 微波谐振腔,得谐振条件：,第四章 微波谐振腔,2,）谐振具有,多模性,4.,固有品质因数（,TEM,模下）,当,(,b/a,)=3.6,时，同轴腔的品质因数,Q,0,达最大。,3.,讨论,1,）谐振具有,多谐性,。,n,0,时 得最短谐振长度,或得最大谐振波长,对应最低谐振频率,第四章 微波谐振腔,(,二,),/4,型同轴谐振腔,结构,/4,型同轴谐振腔由一端短路，另一端开路的一段长度为,l,的,同轴线构成，长度,l,比,/2,的整数倍多,/4,。,/4,型同轴谐振腔,第四章 微波谐振腔,2.,谐振条件,谐振时应满足：,由上式可导出谐振波长,0,与腔体长度,l,的关系为,得谐振条件：,第四章 微波谐振腔,3.,讨论,1,）多谐性。,n,0,时 得最短谐振长度,或得最大谐振波长,对应最低谐振频率,2,）谐振具有多模性,3,）为减少开路端的辐射损耗，延长外导体形成一段截止圆波导，应取,(,三,),电容加载型同轴谐振腔,电容加载型同轴谐振腔，总长度为,l+d,的同轴线一端短路，另一端将内导体截掉,d,长度之后，将外导体用金属板封闭，如右图所示。,谐振条件：,满足谐振条件的,C,值由右式确定,如果将缝隙电场近似看作均匀分布，则式中,C,可按平板电容公式计算,0,为空气的介电常数，,a,为同轴腔内导体半径，,d,为缝隙宽度。,第四章 微波谐振腔,4,4,矩形谐振腔,矩形谐振腔是由一段两端短路的矩形波导构成，它的 横截面尺寸为,a,b,，长度为,l,，如下图所示。,第四章 微波谐振腔,1.,谐振条件,结构与半波长同轴腔相同，故谐振长度,l,应为半个谐振,相波长的整数倍，得谐振条件,式中,c,为波导中相应模式的截止波长。,得关系式,(,谐振条件,),第四章 微波谐振腔,3.,讨论,1,）多模性。,m,、,n,、,q,的不同组合导致多种不同场分布的谐振模式，记为,TE,mnq,和,TM,mnq,，其中下标,m,、,n,和,q,分别表示场分量沿波导宽壁、窄壁和腔长度方向上分布的驻波数。,2,）单模谐振。矩形波导中可单模传输,TE,10,故矩形腔只可能单模谐振,TE,10q,中之一种。,第四章 微波谐振腔,单模传输,TE,10,条件,TE,10q,模的谐振条件,得,TE,10q,模可谐振条件为,故，取 时，只有,TE,10q,模可谐振。,此时，谐振波长为 。,在众多谐振模中，,TE101,为最低谐振模。,4-5,圆柱谐振腔,圆柱谐振腔是由一段长度为,l,，两端短路的圆波导构成，其圆柱腔半径为,R,。圆柱腔中场分布分析方法和谐振波长的计算与矩形腔相同。,式中,m,、,n,和,p,分别表示场分量沿沿圆周、半径和腔长度方向分布的驻波数。,第四章 微波谐振腔,(,一,),三种常用谐振模式,圆柱腔中最常用的三个谐振模式为,TM,010,模、,TE,111,模和,TE,011,模。下面分别说明这三种谐振模式的特点和应用。,1,、,TM,010,模,圆波导,TM,01,模的截止波长,c,=2.62,R,和,p,=0,圆柱腔,TM,010,模的谐振波长,0,的计算公式为,2,、,TE,111,模,圆柱腔,TE,111,模的谐振波长,0,的计算公式为,3,、,TE,011,模,圆柱腔,TE,011,模的谐振波长,0,的计算公式为,第四章 微波谐振腔,(,二,),模式图,对于圆柱腔,TE,mnp,谐振模，有,对于圆柱腔,TM,mnp,谐振模，有,若取不同的,m,、,n,和,p,值，将上面两式画在横坐标为,(,D,/,l,),2,，纵坐标为,(,f,0,D,),2,的坐标系内，则可得到一系列的直线，这些直线构成了右图所示的模式图。即使同一个腔长，对于不同的模式都会同时谐振于同一个频率上，这就是圆柱腔存在的干扰模问题。,第四章 微波谐振腔,精品课件,！,精品课件,！,为了使谐振腔正常工作，就必须合理选择工作方框，使工作方框内不出现或少出现不需要的干扰模式。工作方框是以工作模式的调谐直线为对角线，由最大和最小的,(,f,0,D,),2,和相对应,(,D,/,l,),2,所确定的区域。设计谐振腔时，对所选的工作模式都可确定其相应的工作方框，方框的中心位置由固有品质因数来确定。方框的高度由工作频带来确定，在工作方框中任何非对角线模式，都是不需要的干扰模式。这些干扰模会影响谐振腔正常工作。因此，选择工作方框时，应尽量避免干扰模进入工作方框。,在设计圆柱谐振腔时，应尽可能消除干扰模的影响，除了,合理选择工作方框,，移动方框的中心位置或缩小工作方框，使干扰模不出现在工作方框内以外，还可以,合理选择激励和耦合机构,，使干扰模不被激励，或者使已出现的干扰模无法耦合输出。,第四章 微波谐振腔,